基于虛擬儀器的滑動型壓電慣性電動機測控系統

盧曉暉，陳 棟，何 璞，王 良，程廷海，趙希祿

(1.長春工業大學,長春 130012;2.吉林大學,長春 130025；3.埼田工業大學,日本埼玉 369-0293)

基于虛擬儀器的滑動型壓電慣性電動機測控系統

盧曉暉1,2，陳 棟1，何 璞1，王 良1，程廷海1,2，趙希祿3

(1.長春工業大學,長春 130012;2.吉林大學,長春 130025；3.埼田工業大學,日本埼玉 369-0293)

壓電慣性電動機在不對稱三角波形的驅動下，會產生微米量級甚至納米量級的步距，進而輸出速度和位移。為了更好地研究電動機的輸出性能，以滑動型壓電慣性電動機為研究對象，利用激光位移傳感器、數據采集卡和功率放大器等設備，基于虛擬儀器技術設計并搭建了一個測控系統，軟件系統包括4個模塊：數據采集模塊、數據處理模塊、激勵波形產生模塊和激勵波形傳輸模塊，各模塊以數據流的方式進行信息傳遞，研究了在不同輸入條件下的電動機的輸出參數。經過實驗表明，當輸入電壓為12 V(峰峰值)且輸入頻率為800 Hz時，電動機的移動速度0.2 mm/s，測控系統工作穩定，測量精度高。

滑動型壓電慣性電動機；輸出參數；測控系統；虛擬儀器技術；模塊設計

0 引 言

近年來壓電慣性電動機已經成為國內外學者研究的焦點之一[1]，壓電慣性電動機從結構上可分為沖擊型慣性驅動電動機(以下簡稱IDM)[2]和滑動型慣性驅動電動機(以下簡稱SIDM)[3]，滑動型壓電慣性驅動電動機(下文簡稱電動機)憑借結構簡單、響應速度快、定位精度高、控制方便和抗電磁干擾能力強等優點，在光學儀器、精密位移平臺、醫療器械和航空航天等領域具有很好的應用前景[4-5]。電動機在受到不對稱波形激勵后，會輸出一定的速度與位移，而速度與位移是評價電動機輸出性能的兩個重要參數。在改變驅動波形的幅值、頻率和不對稱度后，電動機具有不同的輸出效果。為準確獲得電動機在不同輸入條件下的輸出量，一般采用測控系統的方式測量電動機輸出量[6-7]。

滑動型壓電慣性電動機運動主要利用自身慣性力和摩擦力實現速度和位移的運動輸出[8]。在實際測試中，不同運動區間的摩擦情況不同，致使滑塊每次產生的步距不相等，滑塊運行速度不相同，為了準確測量滑塊的輸出速度，因此需要設計一個在設定區間內測量電動機輸出參數的測控系統。在該測控系統下，電動機在設定區間運行，并在指定位置停止。利用激光位移傳感器，結合數據采集卡和功率放大器等硬件設備，以虛擬儀器為平臺搭建一個測控系統[9]。用該系統測量電動機運行時的輸出位移，同時通過微分得到電動機的輸出速度。利用實驗數據對電動機性能進行評定，當輸出性能不滿足使用要求時，可通過調整輸入信號的參數或改變樣機結構等方法，提高電動機輸出性能。

1 滑動型壓電慣性電動機機理分析

滑動型壓電慣性電動機主要采用非對稱電信號驅動，利用摩擦力和慣性力的綜合作用，通過控制摩擦桿與滑塊在“粘”和“滑”之間相互轉化，實現運動和動力輸出，驅動原理與工作過程如圖1所示。圖1的左邊為壓電堆疊的伸長量隨時間的變化關系，右邊為壓電慣性電動機對應的運動狀態。在初始位置狀態下，壓電堆疊慢速伸長，推動摩擦桿前進，在靜摩擦力作用下，帶動滑塊也跟著向右移動，這就是“粘”的過程，此時摩擦力提供驅動力。在B時刻后，壓電堆疊快速縮短至C時刻，摩擦桿跟著壓電堆疊迅速向左運動，但滑塊由于慣性作用將滯后于摩擦桿，這樣摩擦桿與滑塊存在滑動摩擦，即處于“滑”的狀態，此時摩擦力起到阻力作用。最終的結果是滑塊向右移動一個微小距離Δx。該過程重復進行，就能實現滑塊的向右方向的連續驅動。但是在B至C的快速變形驅動階段，如果摩擦塊與滑塊間摩擦系數較大，使得慣性力不足以完全克服摩擦阻力，將會導致滑塊在“滑”動結束后產生向左運動，即出現回退運動。改變電信號的幅值、頻率和不對稱度等參數，可以實現對電動機運動速度的調控。

圖1 滑動型壓電慣性電動機驅動原理

2 測控系統流程圖

由于壓電堆疊自身存在遲滯性和蠕變性，同時微滑動下的摩擦模型也很復雜，這樣導致理論分析和求解非常困難。因此，需要采用實驗的方式對滑動型壓電慣性電動機輸出速度和位移進行研究。同時，實驗數據還可為理論分析與數學建模等工作提供參考。在實際測量過程中，電動機在不同運動區間的運動效果不同，因此需要測控系統能夠控制其在設定區間運行，并在指定位置控制電動機停止。根據上述的需求，設計如圖2所示的流程圖。

圖2 測控系統流程圖

從測控系統工作流程圖中得出，激光位移傳感器和數據采集卡為基礎硬件設備，同時需要上位機對數據分析、判斷和管理，再做出對電動機的控制動作等。

3 測控系統硬件選擇

測控系統主要測試滑動型壓電慣性電動機的輸出速度和位移等參數。本文所用的壓電堆疊在150 V高電平作用下產生9 μm的伸長量，電動機每周期產生的步距都在微米量級，因此需要更高精度的傳感器進行測量。本測控系統選用了基恩士公司的型號為LK-H020的傳感頭，控制器型號為LK-G5001。該傳感器的有效量程為6 mm，分辨率高達20 nm，最高采樣頻率為392 kHz。

同時，測控系統需要一個數據采集卡，設備選用NI公司NI USB-6353型數據采集卡，采用USB端口，配置以外接電源，具有32個模擬輸入口和4個模擬輸出口，同時具有48個數字量輸入和輸出端子，每秒鐘最高獲取1.25 M個采樣點。

本測控系統在采集位移數據的同時還需要產生驅動電動機的激勵信號，利用數據采集卡模擬輸出端子完成驅動電動機信號的輸出。但該信號幅值僅為±10 V，需要功率放大器對信號幅值進行放大。考慮到驅動電動機的信號頻率一般不會大于超聲頻率，因此選用芯明天公司的功率放大器(XE500-C)，此功率放大器可將信號幅值最高放大至150 V。

4 測控系統軟件設計

本測控系統在硬件的基礎上，同時需要上位機軟件對硬件設備進行管理。上位機與下位機實時通訊，上位機完成人機交互、邏輯判斷并產生信號等工作；下位機一部分用于采集電動機位移信號，另一部分進行驅動電動機。電動機在產生運動位移后，利用激光位移傳感器采集位移數據，再通過數據采集卡傳遞給上位機，并由上位機判斷并發出控制電動機的指令。同時，需要上位機實時讀取、顯示和保存數據。因此，選用LabVIEW軟件作為上位機程序。

LabVIEW軟件由NI公司開發，其理念為“軟件即儀器”。該軟件能與數據采集卡實時通訊，能夠產生不對稱三角波形驅動電動機。鑒于LabVIEW的多種功能，因此可以作為測控系統的上位機軟件并對硬件設備進行管理[10]。

軟件系統包含4個模塊部分，分別是數據采集模塊、數據處理模塊、激勵信號產生模塊和激勵信號傳輸模塊。

4.1 數據采集模塊

數據采集模塊將激光位移傳感器的模擬信號經由A/D轉換成數字信號后，從DAQ 輸入VI部分進入測控系統主程序。激光位移傳感器的位移信號存儲在數據采集卡的數據緩存區，再由上位機的DAQ輸入VI讀取并傳遞到數據處理模塊中。

4.2 數據處理模塊

利用數據處理模塊對采集數據濾波，通過微分運算得出滑塊的速度。同時，上位機對位移數據進行處理、分析和邏輯判斷后，并進一步控制電動機。為了更加方便地觀察運動狀態，需數據處理模塊將數據以圖表的形式實時顯示在前置面板。數據處理模塊利用移位寄存器和創建數組VI將時間和位移信號的單一標量數據轉換成一維數組，然后將2個數組傳遞給XY圖象簇，可實時觀察滑塊的運動軌跡，通過微分運算求滑塊速度。在得到XY圖象的基礎上將數據保存至Excel中。

4.3 激勵信號產生模塊

激勵信號產生模塊用于產生驅動電動機運動的激勵信號。LabVIEW軟件內置多種信號發生器，其中包括三角信號VI。三角信號VI包含5個重要的輸入參數和一個三角信號輸出，輸入參數包括采樣點間隔時間t、三角信號寬度T、樣本數N、電壓幅值V和不對稱度S。由參數t，T和N確定三角信號的頻率，頻率值為T的倒數。不對稱度S(上升沿時間與信號周期的比值)用于調節電動機滑塊的速度大小和驅動方向：當S大于50%時，滑塊正向運動，并隨著S值增加，滑塊速度增大；當S小于50%時，滑塊速度反向運動，當S值越接近于0時，反向速度越大。綜合考慮電動機情況，本測控系統中S選用參數為90%(正向運動)和10%(反向運動)。

4.4 激勵信號傳輸模塊

激勵信號傳輸模塊將驅動信號傳遞給電動機。數據采集卡不僅可以采集信號，同時可以輸出模擬信號。利用程序中DAQ助手控制信號輸出，經由數據采集卡將信號進行D/A轉換后輸出驅動波形，但由于采集卡輸出電壓范圍有限，因此需要功率放大器對驅動信號幅值放大，電動機在受到激勵波形驅動后穩定運行。

5 實驗測試結果

為驗證該測控系統的測試性能，制作一個滑動型壓電慣性電動機樣機，如圖3所示。樣機由壓電堆疊、摩擦桿和滑塊組成，其中壓電堆疊為NEC/TOKIN公司的型號為AE0203D08DF的堆疊，其尺寸為2 mm×3 mm×10 mm，承受電壓范圍為-30～+150 V，最大輸出力200 N；摩擦桿尺寸為Φ2.5 mm×10 mm，材料為碳纖維棒；滑塊由鋁塊和彈簧等組成，整體尺寸為5 mm×15 mm×18 mm。

同時，搭建如圖4所示的測控系統，該測控系統包括電動機、激光位移傳感器、數據采集卡、PC機(LabVIEW)和功率放大器。

圖3 電動機實物照片

圖4 測控系統實物照片

利用該系統測試電動機速度與位移，設定驅動波形為三角波形，驅動電壓峰峰值U分別為8 V，10 V，12 V，驅動頻率f為800 Hz，不對稱度S為90%(正向運動)和10%(反向運動)。設置電動機位移量為L，滑塊正向運動時，設置起始位置A1為-1 mm，設定目標位置B為0；反向運動時，設置A2為1 mm，目標位置B為0。經過實驗得到如圖5所示的位移L-時間T與速度V-電壓U曲線。電動機在8 V，10 V，12 V驅動下做正向運動時，滑塊分別在0.4 μm，0.5 μm，0.8 μm處停止；反向運動時，電動機分別在-0.7 μm，-0.9 μm，-0.7 μm處停止。從圖5中可以看出，當電壓幅值U越大，滑塊速度V越大，但是滑塊反向運動時速度偏低，這是由于電動機本身具有一定的非線性，而且實際運動時摩擦情況也不相同，從而導致正反向速度有偏差。

(a)正向位移L-時間T曲線(b)正向速度V-電壓U曲線(c)反向位移L-時間T曲線(d)反向速度V-電壓U曲線

圖5 電動機實驗數據曲線

設定驅動信號峰峰值U為8 V，改變驅動信號頻率f后，得到如圖6所示的速度V-頻率f曲線。從圖6中可以看出，在頻率為800 Hz時，正反向速度與前測得的速度具有一致性，表明測控系統具有一定的穩定性。

(a)正向速度V-頻率f曲線(b)反向速度V-頻率f曲線

圖6 電動機速度與頻率特性曲線

6 結 語

針對滑動型壓電慣性電動機樣機搭建一個測控系統，利用上位機軟件LabVIEW對激光位移傳感器、數據采集卡和功率放大器等設備進行管理，各模塊以數據流的方式進行信息傳遞，最終實現對電動機速度和位移的測定，經實驗表明，該測控系統運行穩定，定位精度高。利用實驗數據可對電動機輸出性能進行評價，若電動機不能達到要求，可通過調節輸入參數和結構設計等方式改進。實驗測得的數據對理論分析也有一定的指導意義；同時，該系統還可以擴展為控制系統，利用多種控制算法實現對滑動型壓電慣性電動機的更加精密的定位控制。

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A Measuring System for Smooth Impact Drive Mechanism Using a Piezoelectric Actuator Based on Virtual Instrument

LUXiao-hui1,2,CHENDong1,HEPu1,WANGLiang1,CHENGTing-hai1,2，ZHAOXi-lu3

(1.ChangChun University of Technology,Changchun 130012,China;2.Jilin University,Changchun 130025,China;3.Saitama Institute of Technology,Saitama 369-0293,Japan)

Piezoelectric inertial driving mechanism is driven under an asymmetrical triangle waveform, producing a millimeter scale stroke even nanometer scale stroke, and the velocity and displacement are generated. The velocity and displacement are known as two important parameters to research the motor's performance. In order to research the mechanism performance better, smooth impact drive mechanism using a multi-layered piezoelectric actuator was researched and a test system was designed and set up by equipments of laser displacement sensor, data acquisition board and power amplifier, based on virtual instrument technology. The software system included four modules, namely data acquisition module, data processing module, generated waveform production module and excited waveform transmission module. The information of every module is conveyed by data flow. The output parameters of mechanism were researched under different driving input. The experiment shows that the mechanism has a moving velocity of 0.2 mm/s by triangle signal at amplitude of 12 V(peak-to-peak value) and frequency of 800 Hz. The test system works steadily and has a high accurate measurement.

smooth impact drive mechanism; output parameter; test system; virtual instrument technology; modular design

2016-09-07

吉林省科技發展計劃項目 (20150312006ZG)；中國博士后科學基金項目 (2015M571356)；吉林省教育部“春暉計劃”合作科研項目 (Z2015022,Z2015023)

TM359.9

A

1004-7018(2017)03-0034-04

盧曉暉(1982-)，女，工學博士，研究方向為壓電驅動控制、數據驅動及模型預測控制方法。